热能转换的基本概念和基本定律.ppt

第二章 热能转换的基本概念和基本定律,第一节 热能转换的基本概念,热力系统、外界和边界,热力系统（热力系、系统、体系，thermodynamic system, system)： 人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。,外界(环境，surrounding )： 热力系以外与系统发生质、能交换的物系。 边界(boundary)： 系统与外界的分界面（线）。,系统与外界的作用（物质/能量的交换与传递）都通过边界。,边界可以是真实或虚拟的, 也可以是固定或移动的。 作为系统的边界，可以是这几种边界面的组合。 系统因此也可以是固定或运动的。,固定边界 移动边界 真实的边界 假想的空间界面, 汽车发动机,热力系统选取的人为性,根据热力系统与外界有无物质交换，热力系统分为： 闭口系（closed system）：没有质量越过边界（控制质量，CM）。 开口系（open system）：通过边界与外界有质量交换（控制体积，CV）。,根据热力系统与外界有无能量交换，热力系统分为：,绝热系（adiabatic system）： 与外界无热量交换; 孤立系（isolated system）： 与外界无任何形式的质能交换。,热力系示例： 刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝，A、B之间为可移动的绝热活塞。,红线内 闭口绝热系,黄线内（不包含电热丝） 闭口系,黄线内（包含电热丝） 闭口绝热系,兰线内 孤立系,简单可压缩系(simple compressible system)： 由可压缩物质组成，无化学反应、与外界只交换热量和容积变化功（压缩/膨胀）的有限物质系统。 是工程热力学研究中最重要的系统。,热能转换中涉及的系统大多属于简单可压缩系统。,热源、冷源和工质,热源： 无限大的热库，吸入热量和放出热量后，温度不变。 分为： 高温热源热源 （heat source，QH/Q1） 低温热源冷源（heat sink，QL/Q2） 恒温热源(constant heat reservoir) 变温热源,工质(working substance; working medium)： 实现热能和机械能相互转化的媒介物质。 对工质的要求：,物质三态中 气（汽）态最适宜。,1）膨胀性,2）流动性,3）热容量,4）稳定性，安全性,5）对环境友善,6）价廉，易大量获取,工程热力学中常用的工质有： 水蒸汽 内燃机中工作的燃气 制冷剂 常用的气态物质,状态及状态参数,热力学状态（state of thermodynamic system）： 热力系某一瞬间所呈现的宏观物理状况。 简称状态。,平衡状态（equilibrium state）： 在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。 若系统的各部分之间没有热量传递，则系统处于热平衡（Thermal equilibrium）。 若系统的各部分之间没有相对位移，则系统处于力平衡（Mechanical equilibrium）。,处于平衡态的热力系，各处应具有均匀一致的温度、压力等宏观物理量。即处于平衡态的热力系可用确定的压力、温度等宏观的物理量来描述。,实现热力平衡态的条件/平衡的本质不存在不平衡势： 温度平衡无温差热平衡。 压力平衡无压差力平衡。 热力平衡的充要条件系统同时达到热平衡和力平衡。 温差 热不平衡势 压差 力不平衡势 相变 相不平衡势 化学反应 化学不平衡势,状态参数（state properties）： 描述热力系所处状态的宏观物理量。 只有平衡状态才能用状态参数进行描述； 非平衡状态不能用状态参数进行描述。,状态参数的特性： 状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效应，只有平衡态才有状态参数。 一个系统有多个状态参数，如： 状态参数是状态的单值函数： 物理上与过程无关 数学上其微量是全微分,状态参数分类 强度参数（intensive property ）： 与系统内所含工质数量无关的状态参数。 如：压力p、温度T 广延参数（extensive property）： 与系统内所含工质数量有关的状态参数。 具有可加性 如：质量m、容积V、热力学能U、焓H、熵S,比参数： 单位质量的广延量参数。,比体积：,比热力学能:,比焓:,比熵：,密度：,基本状态参数（Basic state properties）： 压力 p 温度 T 比体积 v 和密度 特点： 容易测量,宏观物理概念：压强 微观概念： 气体压力是气体分子撞击容器壁面，而在容器壁面的单位面积上所呈现的平均作用力。 单位: Pa (Pascal), N/m2 1 MPa = 103 kPa = 106 Pa,压力（pressure，p）,其它非国际制压力单位： 标准大气压 atm： 1 atm = 101325 Pa 工程大气压 at (kgf/cm2);： 1 at = 9.8067104Pa 巴 bar，毫巴mbar 1 bar 1000 mbar105 Pa 毫米汞柱 mmHg： 1mmHg133.32 Pa 毫米水柱 mmH2O： 1mmH2O9.8067 Pa,绝对压力 p： 工质的真实压力，为状态参数。 表压力 pg： 绝对压力高出当地大气压（pb）的数值。 真空度 p： 绝对压力低于当地大气压（pb）的数值。,压力的表示方法,当 p pb 时 ，p = pb + pg p g 称为表压（压力表） 当 p pb 时， p = pb - pv p v 称为真空度（真空表）,压力表常用单位：MPa,U型管测压计单位： Pa 或 mmH2O(Hg),传统定义： 物体冷热程度的标志。 宏观物理学定义： 系统热平衡的物理特征量。 微观： 衡量分子平均动能的量度。,温度（temperature）,温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。,热力学第零定律 zeroth law of thermodynamics： 如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。,两个（或许多个）热力学系统处于同一热平衡状态时，它们必然具有某种共同的宏观性质系统的温度。,温标（temperature scale）： 温度的数值表达。 常用温标： 热力学温标（绝对温标）Kelvin scale 摄氏温标 Celsius scale 华氏温标 Fahrenheit scale 朗肯温标 Rankine scale,热力学温标（绝对温标）Kelvin scale ： 水的三相点为基准点，温度为 273.16 K。 符号：T； 单位：开尔文（K）。是水的三相点温度的1/273.16。 T = 273.15 + t,摄氏温标 Celsius scale ： 符号：t； 单位：。 水的三相点为0.01 ，水的标准沸点为100 。 t = T - 273.15,比体积(specific volume) ： 单位质量工质所占的体积。 符号：v； 单位：m3/kg,密度(density)： 单位体积工质的质量。 符号：； 单位：kg/m3,反映工质聚集的疏密程度,状态方程,状态公理State postulate： 对于组元一定的闭口系统，当其处于平衡状态时，可以用与该系统有关的准静态功形式的数目n加一个象征传热方式的独立状态参数构成的（n+1）个独立状态参数来确定。 N=n+1 对于简单可压缩系统，只要给定两个相互独立的状态参数就可以确定它的平衡状态。,两系统状态相同的充分必要条件： 所有状态参数一一对应相等。 简单可压缩系统两系统状态相同的充要条件： 两个独立的状态参数对应相等。,状态方程Equation of state： 对于简单可压缩热力系统，当其处于平衡状态时，各部分具有相同的压力、温度和比体积等参数，且这些参数服从一定的关系式。 这样的关系式就是状态方程： F (p,v,T) = 0 p=p(T,v); v = v (p,T); T = T (p,v),状态方程描述了各状态参数之间的关系,状态参数坐标图 parametric coordinates,一简单可压缩系只有两个独立参数，所以可用平面坐标上一点确定其状态，反之任一状态可在平面坐标上找到对应点，如：,系统任何平衡态可 表示在坐标图上,过程线中任意一点 为平衡态,不平衡态无法在图上用实线表示,热力过程,热力过程： 热力系从一个状态变化到另一个状态时所经历的全部状态的总和。 热力过程是热力系与外界联系的桥梁，只有通过热力过程才能实现热能与机械能之间的转换。,平衡状态,状态不变化,能量不能转换,非平衡状态,无法简单描述,理想化的热力过程： 准平衡（准静态）过程 可逆过程,准平衡（准静态）过程(quasi-static process; quasi-equilibrium process)： 如果造成系统状态改变的不平衡势差无限小，以致该系统在任意时刻均无限接近于某个平衡态，则称这样的过程为准平衡（准静态）过程。,一般过程 Process,突然去掉重物,最终,p2 = p0,T2 = T0,p1 = p0+重物,T1 = T0,外界力不平衡势差热力系内部力不平衡势差热力系状态变化热力系内部力不平衡势差减小直至为0外界力不平衡势差减小直至为0系统达到新的平衡。,准平衡（准静态）过程 Quasi-static process,p1 = p0+重物,p，T,p0,T1 = T0,假如重物有无限多层,每次只去掉无限薄一层,p,v,1,2,.,.,.,系统随时接近于平衡态,实现准平衡态（准静态）过程的条件是： 造成热力系状态改变的外界不平衡势差趋于无限小（T0p0），以至于该热力系在任意时刻均无限接近于某个平衡态，热力过程进行得无限缓慢。 准平衡（准静态）过程的工程条件： 状态参数变化所需时间（外部作用时间）恢复平衡所需时间（驰豫时间，即系统从最初处于非平衡态，过渡到平衡态所需时间），也就是说系统有足够时间恢复新平衡 准平衡过程。,一般的工程过程都可认为是准平衡过程。,准平衡（静态）过程的实际意义： 可以用确定的状态参数变化描述热力过程； 可以在参数坐标图上表示热力过程； 可以用状态方程进行必要的计算； 可以计算过程中系统与外界的功热交换。,可逆过程( reversible process) ： 如果系统完成某一热力过程后，再沿原来路径逆向返回原来的状态，并使相互作用中所涉及到的外界也回复到原来的状态，而不留下任何变化，则这一过程为可逆过程。,可逆过程准平衡过程无耗散效应,耗散效应： 通过摩阻、电阻、磁阻等使功变为热的效应。,可逆过程是一切实际过程的理想极限，是一切热力设备内过程力求接近的目标。 实际过程都是不可逆过程。 准平衡过程与可逆过程的差异： 准平衡过程着眼于系统内部平衡；可逆过程着眼于系统内部及系统与外界作用的总效果。 准平衡过程进行时可能发生能量耗散（有耗散效应）；可逆过程没有能量耗散（无耗散效应）。,引入可逆过程的意义,准平衡过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过程，可逆过程是最优过程。 可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。 实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以修正。,功量和热量,功量和热量： 是发生热力过程的原因。 是热力过程中系统通过边界与外界交换的不同形式的能量： 由温差引起的能量传递为“热” 其他能量传递形式称为“功” 都不是状态参数而是过程量。,功(work)的力学定义： 功是系统所受的力与沿力的作用方向所产生的位移的乘积。 功(work)的热力学定义： 当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一效果可归结为举起重物，此即为热力系对外作功。 功(work)的热力学定义： 功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。,功的一般表达式：,功的单位：焦耳（J）, 1J=1Nm,热力学中规定： 系统对外界作功为正值（+）； 外界对系统作功为负值（- ）。,单位质量热力系所做的功称为比功w（单位： J/kg）。 单位时间内完成的功称为功率（单位：W）。,功不是状态参数而是过程量。,准静态过程中的体积变化功： 膨胀功 压缩功 是简单可压缩系统与外界交换的唯一基本功。,一部分用于排斥大气，反抗大气压力作功无用功，Wr； 一部分因摩擦而耗散摩擦耗散功，Wl； 剩余部分才是可被利用的有用功Wu。,对于不可逆过程，闭口系工质在膨胀过程中作的功并不能完全用于输出作有用功：,Wu=W-Wr-Wl,可逆过程体积变化功的计算：,比功：,系统从状态12：,系统从状态21：,结论,功是过程量，其值不但与系统的初、终态有关，还与路径有关。 功可以用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示。,示功图 indicator diagram,热量（heat）的物理定义： 系统与外界之间在温差的推动下，通过微观粒子无序运动的方式与外界交换的能量。 热量的热力学定义： 一个质量不变的热力系，不作功而通过边界传递的能量。 符号约定： 系统吸热为正值，“+”； 系统放热为负值，“-”。 单位： J，kJ,热量也不是状态参数而是过程量。,比较：热量与体积变化功,能量传递方式 体积变化功 传热量,性质 过程量 过程量,推动力（势差） 压力 p 温度 T,标志 dV , dv dS , ds,公式,条件 准平衡态或可逆 可逆,示功图与示热图,p,V,W,T,S,Q,示功图（p-V图）,示热图（T-S图）,熵（Entropy）：,由,比熵：,熵的微观物理意义： 系统内分子热运动的无序性的一种度量。,熵的说明,熵是状态参数。,熵的物理意义： 熵体现了可逆过程传热的大小与方向。,符号规定：,系统吸热时为正：Q 0， dS 0 系统放热时为负：Q 0， dS 0,用途： 判断热量方向 计算可逆过程的传热量,热力循环,热力循环Cycle： 热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。 是封闭的热力过程。 特性： 一切状态参数恢复原值，即,全部由可逆过程组成的循环称为可逆循环（reversible cycle）； 含有不可逆过程的循环称为不可逆循环（irreversible cycle ）。,正循环/动力循环（power cycle; direct cycle ）： 循环方向：顺时针 吸热QH，放热QL； 对外作功W0 ，且W0 = QH - QL； 循环经济指标为热效率(thermal efficiency)t： t= 收益/代价=W0 / QH,逆循环(reverse cycle)制冷循环(refrigeration cycle)/热泵循环(heat-pump cycle)： 循环方向：逆时针 放热QH，吸热QL ； 外界输入功W0 ，且W0 = QH - QL；,制冷循环的循环经济指标为制冷系数(coefficient of performance for the refrigeration cycle)： = 收益/代价= QL / W0,热泵循环的循环经济指标为供热系数(coefficient of performance for the heat-pump cycle)： = 收益/代价= QH / W0,思考题：,基本状态参数有哪几个？为什么称它们为基本状态参数？ 什么是准平衡态？实现条件是什么？ 什么是可逆过程？实现条件是什么？ 如何计算可逆过程的膨胀功w、技术功wt？如何在p-v图上表示？ 写出绝对压力p、表压力pg以及真空度pv之间的关系式。测量容器的压力时，压力表上的读数不变，容器内的压力会否发生变化？,例题（P55题2-5）,一容器被刚性壁分成两部分，并在各部分装有测压表，如图所示。其中C为压力表，读数为110kPa，B为真空表，读数为45kPa。若当地大气压pb=97kPa，求压力表A的读数（用kPa表示）。,第二节 热力学第一定律,是能量转换及守恒定律在热力过程中的应用； 确定了热能与其他形式能量相互转换时在数量上的关系。 能量转换与守恒定律： 自然界中一切物质都具有能量。 能量既不能被创造也不能被消灭，只能从一种形式转变为另一种形式。 在转变中，能的总量保持不变。,热力学第一定律的本质,热力学第一定律的表述,热能与其他形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。 热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。 热是一种能量，机械能可以转变为热能，热能也可以转变为机械能，在转变过程中保持量的守恒。 第一类永动机是造不成的。,热力学能(internal energy) 又称为内能。 指储存于系统内部的能量。是工质微观粒子所具有的能量。,热力学能是状态参数，并且是与工质质量有关的广延量。,比热力学能： u=U/m 是广延量转换得到的强度量。 热力学能U单位： J 或 kJ 比热力学能u单位： J /kg 或 kJ/kg,热力系统的外部储存能： 系统由于宏观运动所具有的能量（宏观动能 Ek 和宏观位能 Ep ）,与参考系有关。,总储存能,热力学能，内部储存能,外部储存能,宏观动能,宏观位能,热力系统总储存能 (total stored energy of system),比储存能,流入：,流出：,系统贮能的增量：dEsy,热力学第一定律的一般表达式 任意系统,d时间内：,=,进入系统的 能量,离开系统的能量,系统能量的 增量,-,闭口系统的能量方程 热力学第一定律的基本表达式,闭口系统： Ek=0， Ep=0， E=U+Ek+Ep =U； m1=m2=0 闭口系统的能量方程热力学第一定律的基本表达式：,Q与W正、负号的规定： 系统吸热Q为正，放热Q为负； 系统对外作功W为正，外界对系统作功W为负。 适用条件： 任何过程 任何工质,注意,对于可逆过程： 闭口系可逆过程的能量方程为：,闭口系经过一个循环：,第一类永动机是造不成的。,例2-1,一刚性绝热容器，被刚性隔板分成A、B两部分。A中装有氮气，B内为真空。抽掉隔板后工质经自由膨胀达到新的平衡。设氮气初始温度为t1，并有u=0.74t的关系。试求达到新的平衡态时氮气的温度t2。,例2-2,一刚性绝热容器内贮存有水蒸气，通过电热器向蒸气输入80kJ的能量。问水蒸气的热力学能变化是多少？,稳定流动系统的能量方程,稳定流动系统： 热力系统内各点状态参数不随时间变化的流动系统。 是一个开口系统。,条件： 进出系统的工质流量相等且不随时间而变 （m1=m2=m）； 系统进出口工质的状态不随时间而变； 系统与外界交换的能量不随时间而变 （Esy=0）。,推动功(flow work; flow energy)： 系统引进或排除工质传递的功量。,比推动功：,流动功(flow work; flow energy)： 维持工质流动所必需的功。 是系统维持流动所花费的代价。,比流动功：,说明：,推动功与流动功与工质的宏观流动有关，流动停止，推动功与流动功即行消失。 推动功与流动功作用过程中，工质仅发生位置变化，不发生状态变化。 比推动功/比流动功与工质状态有关，是状态量。 推动功与流动功并非工质本身的能量（内动能、内势能）变化引起，而是由外界引起的，是工质进出系统时携带/传递的能量系统与外界之间传递的机械功。,稳定流动系统的能量分析：,进入系统的能量：,离开系统的能量：,系统能量的增加：Esy0,由于m1=m2=m, 整理上式得:,=,进入系统的 能量,离开系统的能量,系统能量的 增量,-,对上式两边同除以 m 得：,令H=U+pV=m(u+pv)，带入上式得稳定流动系统能量方程：,适用条件： 任何流动工质 任何稳定流动过程,焓 (enthalpy)的定义及物理意义,定义： H=U+pV ； h=u+pv 单位： J, kJ ； J/kg, kJ/kg 焓的物理意义： 开口系中随工质流动而携带的、取决于热力状态的能量(热力学能+推动功)； 对静止工质，焓不代表能量。 对于闭口系统，焓仅是一种复合的状态参数。,焓是状态参数,将稳定流动系统能量方程改写为：,技术功(technical work)：,机械能,轴功,利用技术功，稳定流动系统能量方程可写为：,对于微元过程：,将稳定流动系统能量方程改写为：,Wf,Wt,或,工质稳定流经热力设备时所做的技术功=热能转换所得的工质体积功（膨胀功）-流动功。,或,得,W,对于可逆过程：,对于可逆稳定流动过程：,能量方程的应用,叶轮式机械(Turbine),包括： 叶轮式动力机械： 蒸汽轮机(steam turbine） 燃气轮机（gas turbine) 叶轮式耗功机械： 水泵（pump) 压气机(compressor）,蒸汽轮机、燃气轮机 (steam turbine、gas turbine),流进系统：,流出系统：,内部储能增量： 0,系统对外所作的轴功=工质从进口到出口的焓降。,水泵、压气机（pump、compressor）,流入：,流出：,内部贮能增量：0,外界对系统所作的轴功=工质从进口到出口的焓升。,热交换器/换热器 (heat exchanger）,包括： 锅炉（boiler） 加热器（heater) 冷油器（oil cooler） 冷凝器（Condenser）,没有作功部件：,忽略进出口工质的宏观动能与势能：,绝热节流Throttling Valves,包括： 管道阀门 流量孔板 制冷/空调的膨胀阀、毛细管,绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等,没有作功部件：,绝热：,忽略进出口工质的宏观动能与势能：,思考题,热力系的总储存能包括哪些？ 下列热力学第一定律表达式的适用条件各是什么？,3.稳定流动系统能量方程各种表达式的推导及应用。 4.膨胀功、流动功、轴功和技术功之间有何区别？有何联系？ 5.焓的物理意义是什么？,思考题,热力学第一定律的实质是什么？ 工程热力学中，热力学能包含哪几项能量的形式。 写出稳定流动系统的能量方程式，当用于锅炉、汽轮机及节流过程时方程的简化形式。在以上三种过程中膨胀功的表现形式。 说明焓的定义式及物理意义。 写出技术功的定义式。可逆过程的技术功在p-v图上如何表示。 给一不可压缩的流体绝热的情况下加压，热力学能和焓如何变化？,(1) 燃气在喷管出口的流速c3 ; (2) 每干克燃气在燃气轮机中所作的功； (3) 当燃气质量流量为5.6kg/s时，燃气轮机输出的功率。,燃气轮机装置如图所示。已知在截面1处h1=286kJ/kg的燃料与空气的混合物以20m/s的速度进入燃烧室，在定压下燃烧，相当于从外界获得热量q=879kJ/kg。燃烧后的燃气在喷管中绝热膨胀到3，h3=502kJ/kg。流速增加到c3。然后燃气推动叶轮转动作功。若燃气推动叶轮时热力状态不变，只是流速降低。离开燃气轮机的速度c4=150m/s。试求：,例题（P57题2-25）：,喷管目的：,压力降低，速度提高,动能与焓变相互转换,动能参与转换，不能忽略,解： （1）取13截面为热力系统：,（2）取34截面为热力系统：, “若燃气推动叶轮时热力状态不变”,方程简化为：,（3）功率为P：,Pqmwsh34=5.6652 =3651.2 kW,例2-3,进入汽轮机新蒸汽的参数为：p1=9.0MPa，t1=500，h1=3385.0kJ/kg，c1=50m/s；出口参数为：p2=0.004MPa，h2=2320.0kJ/kg，c2=120m/s。蒸气的质量流量qm=220t/h。试求： 汽轮机的功率。 忽略蒸气进出口动能变化引起的质量误差。,例2-4,空气在一活塞式压气机中被压缩。压缩前空气的参数是：p1=0.1MPa，v1=0.86m3/kg；压缩后空气的参数是：p2=0.8MPa，v2=0.18m3/kg。设在压缩过程中每千克空气的热力学能增加150kJ，同时向外放出热量50kJ。试求： 压缩过程中对每千克空气所做的功。 每生产1kg压缩空气所需要的功。 若该压气机每分钟生产15kg压缩空气，带动此压气机要用多大功率的电动机？,第三节 热力学第二定律,自发过程的方向性 及热力学第二定律的实质,能量之间数量的关系,热力学第一定律,能量守恒与转换定律,问题：,所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能自发进行？,只要Q不大于Q，并不违反热力学第一定律,Q,Q,?,一刚性绝热容器，被刚性隔板分成A、B两部分：A内有气体，B内为真空。 抽掉隔板后，工质经自由膨胀达到新的平衡。 重新将隔板插入，A+B内的气体能否自动收缩到A内？,UA+B=UA，不违反热力学第一定律,重物下落，水温升高; 水温下降，重物升高？ 只要重物位能增加水温下降引起的水的热力学能减少，不违反热力学第一定律。,电流通过电阻，产生热量； 对电阻加热，电阻内产生反向电流？ 只要电能不大于加入热能，不违反热力学第一定律。,结论： 自发过程具有方向性、条件、限度； 并非所有不违反第一定律的过程均可自动进行。 自然界自发过程都具有方向性。 自发过程（Spontaneous process）： 不需要任何外界作用而自动进行的过程。如： 热量由高温物体传向低温物体； 摩擦生热； 水自动地由高处向低处流动； 电流自动地由高电势流向低电势。,能量转换方向性的实质是能量的品质有差异,无限可转换能机械能，电能,部分可转换能热能,不可转换能环境介质的热力学能,能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件补偿过程，其总效果是总体能质降低。,热力学第二定律的实质,自然界自发过程的方向性表现在不同的方面,热力学第二定律,能不能找出共同的规律性? 能不能找到一个判据?,热力学第二定律的表述,热力学第二定律应用范围极为广泛，如：热量传递、热功转换、化学反应、燃料燃烧、气体扩散、分离、溶解、结晶、生物化学、生命现象、低温物理、气象等领域。 在不同的领域里有不同的表述，其表述多达6070种。 工程热力学中典型表述有两种： 克劳修斯表述热量传递的角度 开尔文普朗克表述热功转换的角度,克劳修斯表述Clausius statement： 不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。 热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。 开尔文普朗克表述KelvinPlanck Statement： 不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用功而不产生其它影响。 热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给冷源。 热机： 实现热-功转换的机器 连续作功构成循环；有吸热，有放热。,两种表述的关系,开尔文普朗克 表述,完全等效!,克劳修斯表述,违反一种表述,必违反另一种表述!,证明1：违反开氏表述导致违反克氏表述,假定违反开氏表述，热机A从单热源吸热并全部作功，热源T1失去热量： Q1=WA 用热机A带动可逆制冷机B工作，热源T1得到热量（取绝对值）： Q1= WA + Q2 Q1-Q2= WA = Q1 热源T1获得净热量： Q=Q1-Q1 = Q2 违反了克氏表述。,证明2：违反克氏表述导致违反开氏表述,假定违反克氏表述，Q2热量可无偿从冷源送到热源； 假定热机A从热源吸热Q1，对外作功WA，对冷源放热Q2： WA = Q1 - Q2 冷源无变化; 热源失去净热量（取绝对值）： Q=Q1-Q2=WA 全部变成功WA，违反开氏表述。,A,Q2,Q2,WA,Q1,Q2,由开尔文普朗克表述引出的热力学第二定律的又一表述： 第二类永动机是不可能制造成功的。 第二类永动机（perpetual-motion machine of the second kind）： 设想的从单一热源取热并使之完全变为功的热机。 这类永动机并不违反热力学第一定律，但违反了热力学第二定律。,热力学第二定律的推论之一： 卡诺定理给出热机的最高理想 热力学第二定律的推论之二： 状态参数熵反映热力过程的方向性 热力学第二定律的推论之三： 克劳修斯不等式反映热力过程方向性 热力学第二定律的推论之四： 孤立系熵增原理热力学第二定律的数学表达式,卡诺循环和卡诺定理,比较：热一律与热二律,热一律否定第一类永动机,t 100不可能,热二律否定第二类永动机,t=100不可能,热机的热效率最大能达到多少？又与哪些因素有关？,卡诺循环（Carnot cycle）和卡诺定理,由法国工程师卡诺 (S. Carnot)1824年提出。 热力学第二定律推论之一。 两个恒温热源之间的理想可逆正循环（热机循环）。 指出了影响热机循环热效率最本质的东西： 热机必须工作在两个热源之间，热量要从高温热源流向低温热源才能作功。 热机作功的数值与什么工质无关，而仅仅决定于两个热源之间的温度差。,卡诺循环Carnot cycle,4-1 绝热压缩过程：外界对系统作功,1-2 定温吸热过程： q1 = T1(s2-s1),2-3 绝热膨胀过程：系统对外作功,3-4 定温放热过程：q2 = T2(s2-s1),卡诺循环热效率 Carnot efficiency,卡诺循环热效率：,热效率只与T1与T2有关，与工质无关。 热效率只能小于1。 当T1 T2时，热效率为零（第二类永动机不能实现）。,卡诺循环是工作在两个恒温热源间的理想可逆正循环（热机循环）。 实际循环不可能实现卡诺循环，原因： 一切过程不可逆； 气体实施等温吸热，等温放热困难； 气体卡诺循环w太小，若考虑摩擦，输出净功极微。 卡诺循环指明了一切热机提高热效率的方向： 提高高温热源温度； 降低低温热源温度。,卡诺循环热效率的意义,卡诺逆循环卡诺制冷循环,卡诺逆循环卡诺制热循环,三种卡诺循环比较,在两个恒温热源之间除了卡诺循环，还有没有其他的可逆循环？,概括性卡诺循环,概括性卡诺循环： 双热源间的极限回热循环。 特点： 等温传热 回热（利用工质原本排出的热量来加热工质）,卡诺定理Carnot principles,定理1： 在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的种类无关，与采用哪种工质也无关。 定理2： 在同为温度T1的热源和同为温度T2的冷源间工作的一切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环热效率。,定理1的证明,定理2的证明,结论,两循环热源间一切可逆循环的热效率都相等，都等于相同温限卡诺循环的热效率。 相同高、低温热源间的不可逆循环的热效率小于相应可逆循环的热效率。 在动力循环（热机循环）中不可能把从热源吸取的热量全部转变为功。 要实现连续的热功转换，必须有两个以上的温度不等的热源。 不花代价的冷源温度以大气温度T0为最低限。,卡诺定理的理论意义： 从理论上确定了通过热机循环实现热能转变为机械能的条件，指出了提高热机热效率的方向，是研究热机性能不可缺少的准绳。 对热力学第二定律的建立具有重大意义。 提高热机效率的途径：可逆、提高T1，降低T2； 提高热机效率的极限。,多热源可逆循环,变温可逆循环可视为由温差无限小的无穷多个恒温热源组成的可逆循环。 吸热量：q1=面积ehgnme 放热量：q2 =面积gnmelg 热效率：,平均吸（放）热量：,平均吸（放）热温度：,热效率：,对于任何可逆循环，工质的平均吸热温度越高，平均放热温度越低，循环热效率越高。,状态参数熵,熵entropy,用于描述所有不可逆过程共同特性的热力学状态参数。 与热力学第二定律紧密相关的状态参数： 为判别实际过程的方向、过程能否实现、是否可逆提供了判据。 过程不可逆程度的度量 热力学第二定律的量化,熵的导出,对于卡诺循环，有：,TH、TL：热、冷源温度； QH、QL：工质在循环中的吸、放热量（绝对值）；QL取值为负,对于任意可逆循环1A2B1，用无数条绝热线a-g、b-f等对循环进行分割。 当两条线非常接近时，吸热和放热可看成定温微元过程。 对于微元卡诺循环abfga有：,令分割循环的可逆绝热线数量无穷大，且任意两线间距离0。,积分上式：,克劳修 斯积分等式,任意工质经任一可逆循环，微小量 沿循环的积分为0。,熵,比熵,克劳修斯积分：,对于可逆过程：,计算任意可逆过程熵变的途径。,熵的物理意义： 熵变表示可逆过程中热交换的方向和大小,吸热,放热,热量无变化,克劳修斯不等式 热力过程方向性,用一组可逆绝热线将不可逆循环1A2B1分割成无穷多个微元循环。 a、b、c相邻两点无限靠近； 可以近似地将相邻两点间的换热过程视为定温换热过程。,每一微元循环都可以近似为具有两个定温热源的循环。其中仅有一部分为可逆循环。,可逆微元循环部分：,不可逆微元循环部分：,工质经过任意不可逆循环，微小量 沿循环的积分0。,可逆部分+不可逆部分：,克劳修斯不等式：,称为热力学第二定律数学表达式之一。,循环是否可逆、是否可以发生的判别： = 0：可逆循环 ； 0： 不可能。,不可逆过程中的熵变,为了计算不可逆过程1A2的熵变，增加可逆过程 2B1，形成一个不可逆循环，则,不可逆过程1A2的熵变为,不可逆微元过程的熵变为,热力学第二定律的数学表达式：,熵流与熵产,对于任意微元过程有：,=0：可逆过程 0：不可逆过程,定义:,熵产Entropy generation： 纯粹由不可逆因素引起， 是过程不可逆性大小的度量。,熵流Entropy flow：,热力学第二定律表达式之一,永远,0：吸热,熵流、熵产和熵变,任意不可逆过程,可逆过程,不可逆绝热过程,可逆绝热过程,孤立系的熵增原理,孤立系统熵增原理： 孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小。,=0：可逆过程 0：不可逆过程 0：不可能过程,热力学第二定律表达式之一,注意： 熵增原理只适用于孤立系统,熵增原理的实质,熵增原理阐明了过程进行的方向，即dSiso0 。 熵增原理指出了过程进行的限度，即 dSiso0 。 熵增原理揭示了热过程进行的条件： 如果某一过程的进行，会导致孤立系中有部分物体熵减小，则这种过程不能单独进行，除非有熵增大的过程作为补偿，使孤立系总熵增大，至少保持不变。,熵增原理全面地、透彻地揭示了热过程进行的方向、限度和条件，这些正是热力学第二定律的实质。 由于热力学第二定律的各种说法都可以归结为熵增原理，又总能将任何系统与相关物体、相关环境一起归入一个孤立系统，所以可以认为,是热力学第二定律数学表达式的一种最基本的形式。,熵方程,控制质量绝热系 （闭口绝热系）,=0：可逆过程 0：不可逆过程,控制质量绝热系（闭口绝热系）的熵增=系统内不可逆因素造成的熵产之和。,稳定流动绝热系统：,=0：可逆过程 0：不可逆过程,开口系统：,无热量交换,状态参数各处相同,稳定流动绝热系的熵增=系统内不可逆因素造成的熵产之和。,热力学第二定律数学表达式：,例1 卡诺热机（取热源、热机和工质组成孤立系）,，,由卡诺循环可知,（循环）,例2 不可逆热机（取热源、热机和工质组成孤立系）,又,高温热源放热熵减,低温热源吸热熵增,孤立系：,例3 温差传热（过程中A、B内部过程视为可逆）,设：A保持T1，B保持T2,且,，,取A+B为系统，依题意，可将该系统视为孤立系。,例4 以20的环境为热源，以1000 kg 温度为 0 的水为冷源的可逆热机，当冷源水温升至20时，热机对外所做的净功为多少？,解：对任一微元（卡诺）循环，根据卡诺定理,，,以,代入上式得,=2995 kJ,例2-5,某热机从TH=1000K的热源吸热2000kJ，向TL=300K的冷源放热810kJ。试求： 该热力循环是否可能实现？是否可逆循环？ 若将此热机作为制冷机用，能否从TL=300K的冷源吸热810kJ，而向TH=1000K的热源放热2000kJ？,热量有效能及有效能损失,热量有效能 也称为热量的可用能或热(exergy)。 指在环境条件下热量中能最大可能转变为机械能（或有用功）的部分。,热量无效能 也称为热量的无用能或非做功能或热火无（anergy）。 指在环境条件下热量中不可能转变为机械能（或有用功）的部分。,任何能量都由有效能（热）和无效能